评估生物炭、堆肥和铁添加剂对澳大利亚本土植物物种Poa labillardieri（Steud.）在金矿废料中通过植物方式固定砷的效果

《Chemosphere》：Assessment of biochar, compost, and iron amendments to enhance the phytostabilisation of arsenic in gold mine waste by the Australian native plant species Poa labillardieri (Steud.)

本研究针对澳大利亚 Bendigo 金矿废渣土壤中砷（As）污染问题，采用温室 mesocosm 实验探究本地植物 Poa labillardieri 与土壤改良剂（5%生物炭、5%堆肥、1% Fe?O?）组合的协同效应。结果表明，生物炭与堆肥联用（BC 处理）显著提升根部 As 生物富集系数（BCF=0.97，p≤0.01），使土壤 As 含量降低至 677 mg/kg（较对照下降12%），并减少 As 生物可利用性（IVBA% 降至35.8%，降幅24%）。该组合同时促进植物生长（总生物量增加 3 倍），为矿区 As 稳定化提供了可推广的解决方案。

　　砷污染是全球范围内一个严重的问题，特别是在与金矿相关的废料中，其浓度常常远高于安全阈值。澳大利亚维多利亚州的金矿区土壤中砷的浓度甚至可达47,000毫克/千克，这远超出了国家土壤指导值（100毫克/千克），从而引发了对公众健康和生态环境的担忧。砷不仅对生物有毒性，还具有致癌性，可能引发神经和心血管疾病，以及器官病变、糖尿病和记忆力下降等问题。鉴于传统物理和化学修复技术成本高、环境影响大，寻找一种可持续、经济有效的修复方法显得尤为重要。植物稳定化（Phytostabilisation）作为一种生物修复手段，通过植物将砷固定在根部和根际，减少其向土壤上层迁移，从而降低对环境和人类健康的威胁。

本研究旨在探索使用澳大利亚本土植物——**Poa labillardieri**，配合特定土壤改良剂，以优化砷的植物稳定化效果。通过温室的模拟生态系统实验，研究了5%生物炭、5%堆肥和1%三氧化二铁（Fe?O?）三种改良剂的单独或组合应用效果。实验结果表明，5%生物炭与5%堆肥的组合（BC）显著提高了根部砷的浓度（657 ± 135毫克/千克），比未改良的对照组（317 ± 12毫克/千克）高出近两倍。同时，所有处理组的地上部分砷浓度均在30至44毫克/千克之间，表明植物对砷的地上部分吸收被有效控制。此外，BC处理显著降低了土壤中的砷含量（从781 ± 6.32毫克/千克降至677 ± 21.5毫克/千克），并提升了土壤中砷的生物可利用性（IVBA）的降低幅度（从47.0 ± 6.92%降至35.8 ± 0.72%）。这些结果表明，BC处理在提高砷的根部吸收和降低其生物可利用性方面表现出色，具有实际应用的潜力。

植物稳定化不仅有助于减少砷的迁移，还能够改善土壤结构，防止水土流失，从而减少对周边环境的进一步污染。同时，植物的生长情况也是评估其稳定化效果的重要指标。实验中，BC处理组的植物根部和地上部分生物量均显著高于对照组，表明该处理对植物的生长具有积极影响。相比之下，单独使用堆肥的处理组（C）在植物生长方面表现不佳，仅有两个重复实验成功，因此未被纳入进一步分析。这提示我们，土壤改良剂的组合应用可能比单一使用更有效，尤其是在促进植物生长和提高砷的稳定化能力方面。

为了评估植物稳定化的效果，研究中采用了多种参数，包括生物富集系数（BCF）、生物积累系数（BAC）和转运因子（TF）。这些参数分别反映了土壤到根部、土壤到地上部分以及根部到地上部分的砷转移情况。BC处理组的BCF值达到了0.97，接近理想值1，表明其在促进砷从土壤向根部转移方面表现优异。同时，BAC和TF值保持在较低水平，说明植物在吸收砷的同时，有效抑制了其向地上部分的转运，从而降低了对环境的潜在危害。此外，BC处理组的砷去除量显著增加，从6.83 ± 5.93毫克/立方米提升至50 ± 24毫克/立方米，显示出良好的稳定化能力。

土壤pH值对砷的迁移和生物可利用性具有重要影响。研究中发现，BC处理组的土壤pH值显著降低（从9.55 ± 0.08降至8.73 ± 0.08），这有助于减少砷的溶解性和生物可利用性。在中性至碱性土壤中，砷更容易从铁氧化物中释放出来，而BC处理组的pH值处于一个更适宜植物吸收砷的范围。这表明，BC处理不仅通过物理吸附减少了砷的生物可利用性，还通过改变土壤pH值间接影响了砷的迁移。相比之下，单独使用三氧化二铁的处理组（BI）和堆肥与三氧化二铁的组合（CI）虽然在某些方面也表现出一定的效果，但其砷去除量和生物可利用性降低幅度不如BC处理组显著。

微生物群落的变化也是评估植物稳定化效果的一个重要方面。土壤改良剂可能影响微生物的组成和活性，从而间接影响植物的生长和砷的稳定化能力。研究中通过qPCR分析了土壤中细菌和真菌的丰度，发现BC处理组的微生物基因拷贝数最高，表明该处理对土壤微生物的生长和多样性具有积极影响。微生物群落的改善可能有助于提高土壤的肥力，促进植物的健康生长，从而增强其稳定化能力。此外，微生物在植物稳定化过程中可能通过促进有机质分解、提供营养和抑制病原菌等作用，间接帮助植物更好地吸收和固定砷。

本研究的实验设计采用了严格的统计分析方法，包括Shapiro-Wilk检验、单因素方差分析（ANOVA）和Kruskal-Wallis检验，以确保结果的可靠性和有效性。所有处理组均显示出不同程度的砷稳定化效果，但BC处理组在多个关键指标上表现最佳，包括砷的根部富集、土壤砷浓度的降低、生物可利用性的减少以及植物生物量的增加。这些结果表明，BC处理是一种有效的土壤改良方法，能够显著提升植物稳定化效果，为维多利亚州金矿区的砷污染治理提供了一个可行的方案。

尽管实验结果积极，但本研究仍存在一定的局限性。首先，实验是在温室条件下进行的，虽然能够控制环境变量，但实际应用中可能面临自然环境的复杂性。其次，实验的重复次数有限，仅进行了三次重复，这可能影响结果的统计显著性。因此，研究建议在自然条件下进行田间试验，以进一步验证BC处理的稳定化效果，并评估其在长期环境中的适用性。田间试验不仅可以提供更真实的环境数据，还能增加植物和重复的样本数量，从而提高研究的可靠性。

此外，本研究的发现对于环境保护和公众健康具有重要意义。通过使用本地植物和土壤改良剂，可以避免引入外来物种对当地生态系统的干扰，同时降低修复成本。生物炭和堆肥通常由低价值有机废弃物制成，这些材料在大规模回收设施中已有生产基础，因此本研究提出的稳定化技术不仅具有科学价值，还具备实际应用的潜力。通过将这些材料用于金矿区土壤的修复，可以实现资源的再利用，同时减少砷对环境和人类健康的威胁。

综上所述，本研究通过温室实验验证了5%生物炭与5%堆肥的组合在提升**Poa labillardieri**对砷的稳定化能力方面具有显著效果。该处理不仅提高了植物的生物量，还显著增加了砷的根部富集，同时降低了其生物可利用性。这些结果表明，该组合处理是一种有效的土壤改良方法，能够显著改善金矿区土壤的质量，并降低砷对环境的潜在危害。然而，为了全面评估其在自然条件下的应用效果，还需要进行更多的田间试验，以验证其长期稳定性和生态影响。未来的研究可以进一步探索不同土壤改良剂的组合效果，以及它们在不同土壤类型和环境条件下的适用性，从而为更广泛的砷污染治理提供科学依据。